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3-

2 炭黑的生产、分类和命名

一．炭黑的定义

炭黑是由许多烃类物质（固态、液态或气态）经不完全燃烧或裂解生成的。它主要由碳元素组成，其微晶具有准石墨结构，且呈同心取向，其粒子是近乎球形的粒子，而这些粒子大都熔结成聚集体。

二．炭黑的分类

炭黑是橡胶工业的主要补强剂。为适应橡胶工业的发展要求，人们开发了五十余种规格牌号的炭黑。以前炭黑分类有按制法分，也有按作用分，后来发展了ASTM-1765这种新的分类方法。这种方法的出现结束了以前分类混乱、缺乏科学表征炭黑的状况，但其缺点是没有反映出炭黑的结构度。炭黑的几种分类方法分述如下。

1．按制造方法分

（

1）接触法炭黑：

接触法炭黑，其中包括槽法炭黑、滚筒法炭黑和圆盘法炭黑。

槽法炭黑转化率大约为5%。

其特点

是含氧量大（平均可达3%），呈酸性，灰分较少（一般低于0.1%）。

（

2）炉法炭黑：

炉法炭黑的特点

是含氧量少（约1%），呈碱性，灰分较多（一般为0.2%~0.6%），这可能是由于水冷时水中矿物质带来的。

（

3）热裂法炭黑：

转化率30%~47%。炭黑粒子粗大，补强性低，含氧量低（不到0.2%），含碳量达99%以上。

（

4）新工艺炭黑：

新工艺炭黑的聚集体较均匀，分布较窄，着色强度比传统的高十几个单位，形态较开放，表面较光滑。N375、N339、N352、N234、N299等均为新工艺炭黑。

2．按作用分：

硬质炭黑：粒径在40nm以下，补强性高的炭黑，如超耐磨、中超耐磨、高耐磨炭黑等。

软质炭黑：粒径在40nm以上，补强性低的炭黑，如半补强炭黑、热裂法炭黑等。

这种分类方法比较粗略，主要是根据炭黑的性质及对橡胶的补强效果来分类命名的。

3．按ASTM标准分类

我国在80年代开始采用美国ASTM-1765-81分类命名法。该命名法由四个字组成，第一个符号为N或S，代表硫化速度。其中N表示正常硫化速度；而S表示硫化速度慢。N及S符号后有三个数，第一位数表示炭黑的平均粒径范围；第二位和第三位数无明确意义，代表各系列中不同牌号间的区别。其粒径按电镜法测得的数据划分为10个范围，橡胶用炭黑粒径范围在11-500nm之间，表3-2是橡胶用炭黑的分类命名。

表

3-2

橡胶用炭黑粒径分类

ASTM

系列

粒径范围

nm

典型炭黑品种

ASTM名称

英文缩写

中文名称

1~10

N100

11~19

N110

SAF

超耐磨炉黑

N200

20~25

N220

ISAF

中超耐磨炉黑

N300

26~30

N330

HAF

高耐磨炉黑

N400

31~39

N472

XCF

特导电炉黑

N500

40~48

N550

FEF

快压出炉黑

N600

49~60

N660

GPF

通用炉黑

N700

61~100

N765

SRF-HS

高结构半补强炉黑

N800

101~200

N880

FT

细粒子热裂法炭黑

N900

201~500

N990

MT

中粒子热裂法炭黑

S200

20~25

S212

ISAF-LS-SC

代槽炉黑（中超耐磨炉黑型）

S300

26~30

S315

HAF-LS-SC

代槽炉黑（超耐磨炉黑型）

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3-

3

炭黑的性质

炭黑的粒径（或比表面积）、结构性和表面活性，一般认为是炭黑的三大基本性质，通常称为补强三要素

一．炭黑的粒径或比表面积

1．炭黑的粒径及分布

炭黑的粒径是指单颗炭黑或聚集体中粒子的粒径大小，单位常为nm。通常用平均粒径来表示炭黑的粒子大小，炭黑工业常用的平均粒径有算术平均粒径和表面平均粒径两种。

算术平均粒径，是一种最常用的平均粒径：

表面平均直径有时也称为几何平均直径，它的定义如下：

表面平均直径常大于算术平均直径，它与粒径分布大小有关，故可用/的比值判断炭黑粒径的分散程度，比值越小，粒径分布越窄，反之则越宽。粒径分散程度对补强作用有一定影响，一般希望分布窄些好。

2．炭黑的比表面积及空隙度

（

1）比表面积

炭黑表面积是指单位质量或单位体积（真实体积）中炭黑粒子的总表面积，单位为m

2

/g或m

2

/cm

3

。炭黑的比表面积有外表面积（光滑表面）、内表面积（孔隙表面积）和总表面积（外表面积和内表面积之和）之分。

设

S

为单位质量炭黑的比表面积（m

2

/g），ρ为密度（g/cm

3

）。对于球形粒子，则

S

与有下列关系：

（

2）空隙度（表面粗糙程度）

表面粗糙度是指炭黑粒子在形成过程中，因粒子表面发生氧化侵蚀所形成的孔洞的多少，即氧化程度。这是由于碳氢化合物高温燃烧裂解时，炭黑成粒过程伴随有剧烈氧化作用所致。

炭黑粒子的表面粗糙度可用表面粗糙度系数K来表征，即用BET法测得的总比表面积与用CTAB法测得的外比表面积之比值。

3.比表面积的测定方法

（

1）用电子显微镜测定贪黑的粒径及比表面积

（

2）BET法测定炭黑的比表面积

（

3）碘吸附测定比表面积

（

4）大分子表面活性剂吸附法测比表面积

（

5）测定炭黑比表面积的其它方法

二．炭黑的结构

（一）炭黑的微观结构

（二）炭黑的结构度

炭黑的结构度是指炭黑链枝结构的发达程度。炭黑的结构性通常是指炭黑的一次结构，但也含二次结构的问题。

1．炭黑的一次结构

炭黑的一次结构就是聚集体，又称为基本聚熔体或原生结构，它是炭黑的最小结构单元。通过电子显微镜可以观察到这种结构。这种结构在橡胶的混炼及加工过程中，除小部分外，大部分被保留，所以可视其为在橡胶中最小的分散单位，所以又称为炭黑的稳定结构。这种一次结构对橡胶的补强及工艺性能有着本质的影响。

2．炭黑的二次结构

炭黑的二次结构又称为附聚体、凝....